第一篇：黃增燁_粒子物理課程學習心得

粒子物理課程學習心得-《粒子物理學的發展》

學號：12110321黃增燁

一、粒子物理的基礎

粒子物理(高能物理)是研究場和粒子的性質、運動、相互作用和相互轉化規律的學科，也是研究粒子內部結構規律的學科，是當代物理學發展的前沿。

1.實驗研究:主要是通過高能粒子的相互碰撞，用實驗手段發現新粒子。到目前已經發現了300多種。

采用的試驗設備有加速器、對撞機、探測器、計算機和數據處理系統。2.理論基礎是量子場論，是解釋微觀現象的基本理論。

二、背景

楊振寧、李政道大膽提出粒子在弱相互作用中，宇稱不一定守恒，θ粒子和τ粒子可能是同一種粒子。

吳健雄做了極化鈷60原子核β衰變實驗，將鈷60置于0.01K的低溫環境中的磁場內，實驗說明了β衰變規律宇稱不守恒，使楊、李的觀點得到了驗證，打破了人們的傳統觀念。

三、粒子的分類

在粒子物理學的發展過程中，提出過不同的分類方案，如①早期按粒子的質量分類：光子（0）、輕子（輕）、介子（輕子和重子之間）、重子（重）； ②按粒子的壽命分為穩定粒子（平均壽命>10-18s)和不穩定粒子（平均壽命在10-20-10-24S）； ③分為粒子和反粒子。

反粒子：反粒子的質量、壽命、自旋等與粒子相同，而電荷等相加性量子數與粒子異號。

首先從理論上預言反粒子存在的人，是英國人狄拉克。25歲時狄拉克對量子力學就做出了令人矚目的貢獻。此后他致力于建立相對論性電子理論。終于他提出了著名的狄拉克方程。該方程不僅簡潔、優美，而且還能解出實驗的自旋值和磁矩值，精細結構，將量子力學中的康普頓散射、塞曼效應等事實，通過相對論電子理論統一起來。

1955年賽格雷、張伯倫在高能加速器上獲得了反質子。1956年發現反中子。1959年，我國科學家王淦昌發現了反西格馬負超子。人們又開始想到能否用反質子、反中子、正電子，組成一個反原子。

1995年開始，歐洲粒子研究中心的科學家，在(LEAR)低能反質子環中，產生了9個反氫原子，雖然它們存在的時間僅為三億分之四秒，但是，卻將人們對物質的認知領域大大擴展了。

現在公認的科學分類方法是按粒子參與相互作用的類型來分。粒子共參與四種相互作用：強相互作用、電磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用。由于相互作用和前三種相比太弱，因此粒子物理學中不考慮它。

①輕子：主要參與弱作用，帶電的輕子也參與電磁作用，自旋都是1/2，所以是費米子；輕子必定以粒子與反粒子對的形式生成湮滅。電子等6種是輕子，加上它們的反粒子，輕子共12種。

②強子：直接參與強相互作用的粒子統稱為強子，強子也參與弱作用，帶電強子也參與電磁相互作用。強子又分為介子和重子兩類：自旋為整數或零的稱為介子，如π、K、Η等；自旋為半整數的稱為重子，如p、n、Σ、Λ、Ξ等；

③規范玻色子：是傳遞各種相互作用的中介者，它們是傳遞電磁作用的光子；傳遞弱作用的W±、Z0，傳遞強作用的膠子。膠子至今未發現。規范玻色子都是玻色子。

四、強子結構和夸克理論 1.坂田模型

最早提出強子結構模型的是費米和楊振寧，1949年他們提出，π介子是由核子（質子、中子）和它們的反粒子（反質子和反中子）組成。由于當時反質子和反中子尚未發現，所以，這一模型的提出需要一定的知識積累和膽識。1955年，坂田昌一提出“坂田模型”：強子都是由質子、中子和Λ超子以及它們的反粒子組成。這些粒子稱為基礎粒子。

2.八重法 1961年，美國物理學家蓋爾曼(M.Gell-Mann)和尼曼(Y.Neeman)提出用SU(3)對稱性對強子進行分類的“八重法”。這一方法概括了當時已經發現的大量粒子，并預言了Ω-1粒子的存在。這一預言于1964年被實驗證實。

3.夸克理論

1964年蓋爾曼進一步提出假設，即作為SU(3)群的物理基礎的三重態，不僅僅是某種數學框架，而是三種不同的粒子：上夸克(u)、下夸克(d)、奇異夸克(s)。并提出強子結構的“夸克”模型：他認為夸克是自然界中更基本的組成粒子，所有強子都是由三種夸克和它們的反粒子組成。

夸克性質：①夸克必須是費米子。因為費米子可以構成費米子，也可以構成玻色子；而玻色子只能構成玻色子，不能構成費米子。②夸克具有分數電荷。上夸克的電荷為2e/3，下夸克的電荷為-e/3，奇異夸克的電荷也為-e/3。③夸克帶有色荷：紅色(R)、黃色(Y)、綠色(G)。這些色荷決定夸克參與強相互作用的強弱程度。

標準模型：中子由2個下夸克和1個上夸克構成，寫作(udd)；質子則由2上夸克和1下夸克構成，記為(uud)。在強子內部，夸克通過膠子傳遞強相互作用。膠子帶有色荷，彼此有相互作用，可以形成膠子-膠子束縛態（即膠球）。

由于夸克模型能夠成功的解釋許多已知事實，把極為復雜的事情變得非常簡單，而且在說明強子分類和質量譜等方面非常成功，所以這一模型為大多數人所接受。1969年，蓋爾曼獲得諾貝爾物理學獎。

4.桀夸克的發現

1974年8月，丁肇中領導的研究小組，在布魯克海文實驗室的質子加速器（能量為3.3×1010eV）上發現了一個新粒子，將其命名為“J”，并于11月份宣布。同時在美國西海岸的斯坦福大學直線加速器中心的里克特小組也發現了類似的粒子，并將其命名為“ψ”。因此，這個粒子就命名為“J/ψ”。不久在意大利和德國的加速器上也相繼觀察到這個粒子。為此，丁肇中和里克特容獲1976年諾貝爾物理學獎。

J/ψ粒子是自旋為1的玻色子，質量很大，比質子質量還大3倍多。它的電荷是2e/3；但壽命卻出奇的長，達到10-20秒，是類似能量的典型強子的1000多倍。為了說明J/ψ粒子的性質，人們提出了一種新的夸克---桀夸克（c夸克）。J/ψ粒子是由一個桀夸克和一個反桀夸克組成的束縛態。

5.底夸克(b)和頂夸克(t)根據基本粒子的發現歷史，可將夸克分為三代，第一代夸克為上夸克和下夸克(u、d)；第二代為奇異夸克和桀夸克(s、c)。

從20世紀70年代，人們開始尋找第三代夸克---底夸克(b)和頂夸克(t)。1984年，歐洲核子中心（CERN）發現了頂夸克的痕跡。但真正找到它們卻非常困難。1992年5月，費米實驗室利用Tevatron對撞機(加速器長6.4公里)尋找頂夸克，參加實驗的是兩個國際性合作組：CDF和D0，共800多人。1994年終于觀察到頂夸克的實驗證據，并測定了其質量。但它比同一代的底夸克重30多倍，是質子質量的180多倍，是最輕的上夸克的30000多倍，大大出乎人們的預料。在標準模型中，質量認作為一個基本常數，它是根據實驗數據，人為的加到理論中去的。但為什么夸克有三代的劃分？三代間的質量為什么相差懸殊？有沒有第四代？是什么因素決定了它們的質量的大小等等問題都在等待答案。

6.夸克囚禁

在目前的認識水平上，夸克是最小的物質粒子，在構成強子時，夸克之間的作用還要借助膠子，就象傳遞電磁作用的媒介粒子---光子一樣。由于夸克所帶色荷有三種，所以膠子有8種。一般地，介子由一個夸克和一個反夸克構成，重子由三個夸克構成。這些正反夸克之間的相互作用是通過交換膠子來完成的。約束核子在原子核內的力是核力，約束夸克在重子和介子內的力是“色力”。不同的是核力對核子的約束是有限的，在外界作用下，如放射性元素，核子脫離原子核并不是非常困難。但是色力卻使夸克不可跨越，從實驗情況看，人們從未發現單個、自由的夸克，只有2個或3個夸克的集合體才能處于自由狀態，通常情況下，夸克總是被約束在質子和中子內部。夸克要沖破色力的束縛成為自由夸克幾乎是不可能的。這種現象稱作“夸克囚禁”。

但與此同時，粒子加速器上的實驗，卻顯示質子中的夸克粒子間，好像并沒有相互作用力。這是當時科學研究無法完全解釋的問題。只有了解夸克之間的相互作用力的性質，才有可能得到單個的自由夸克，從而解決這個難題。

五、“弦”模型

“弦”模型：關于“夸克囚禁”，意大利和美國物理學家曾提出“弦”模型來解釋。1968年，意大利的維尼基亞諾(Vineziano)找到了一個與量子場論無關的函數，它能很好的描述強子的許多特征。但如果用這個函數描述粒子的性質，粒子將等效成一根一維弦。這意味著粒子的點狀結構將被一根“弦”來代替。最初引用“弦”概念的是美國加州理工學院的許瓦茲(J.G.Schwarz)和舍科(Sherk)。由于舊弦理論存在很多問題，從1979年起，許瓦茲又和格林(M.B.Green)合作(舍科已去世)，共同致力于弦理論的改造。在這個模型中，介子中的正反夸克就象系于一根“弦”的兩端。重子中的三個夸克則由三個“弦”連系著。這樣，夸克間的距離越遠，弦的張力就越大，即色力隨著距離的增大而增大，因此夸克不可能掙脫“弦”的作用而變為“自由夸克”。夸克只能在“弦”的控制下，在距離較近時，獲得“漸進自由”。弦有開弦和閉弦兩種，弦的線度為普朗克長度。單弦的每一振動模式，都對應一種粒子，粒子間的基本相互作用就是弦的分裂和接合。當兩段單弦相碰時，它能通過端點的接合形成第三根弦，第三根弦又形成最終的兩根弦。

“漸近自由”理論：1973年，正在普林斯頓大學攻讀博士學位的維爾切克和其導師格羅斯共同發表了一篇論文，提出強作用理論中的“漸近自由”現象。同年，正在哈佛大學攻讀博士學位的波利策也獨立發表的一篇論文，提出了同樣的理論。

“漸近自由”理論，用數學模型解釋了夸克的上述神秘行為。理論認為，強作用力會隨夸克彼此間距離的增加而增大，因此沒有夸克可以從原子核中向外遷移獲得真正的自由。這些夸克會永久地被結合在一起，因此不可能找到單個的夸克。同樣根據“漸近自由”理論，強作用力會隨夸克間距離變小而減弱，這就意味著約束在質子等內部的夸克，在彼此距離足夠小時，將近乎自由地進行運動。

這個發現導致了“量子色動力學”(QCD)的誕生，這是一個關于強相互作用的理論。

這三位美國科學家戴維?格羅斯、戴維?波利策和弗蘭克?維爾切克，因發現粒子強相互作用理論中的漸近自由現象，榮獲2004年度諾貝爾物理學獎。諾貝爾獎評選委員會稱頌這3位粒子物理學家的發現為：“夸克世界中的一個燦爛發現”。六.質疑

自從 60年代科學家們提出夸克這一設想后，全世界的物理學家花費了巨大的財力、物力和人力，設計出了多種夸克模型，建造高能電子對撞機。雖然一些實驗現象“證實”夸克（或層子）的存在，然而單個的夸克（或層子）至今未找到。對此，粒子學家們的解釋是：因為夸克（層子）是極不穩定的、”壽命極短的粒子，它只能在束縛態內穩定存在，而不能單個存在。

1996年2月26日，《光明日報》發表了天津大學崔君達教授的文章《夸克存在嗎》，向“夸克說”提出了質疑。崔說，早在1979年3月，他在全國第一次數學物理討論會上，對SU3（夸克模型）中的“3”，提出了一個全新的理論，即復合時空論。按照這個理論，夸克模型中的夸克，層子模型中的層子，以及Higgs粒子都是不存在的！“人們不論上天入地去尋找，夸克總是杳無蹤影”。

崔還特別提到：1994年，首先提出夸克模型之一的M?蓋爾曼寫了一本《夸克與美洲豹》的書。他在書中說，他提出的SU3中的U3實際上是一個數學符號，并不代表“實在的”夸克這東西，物理學家們把它誤解了。他最后宣稱：“我不相信夸克是有的。” 李政道教授在1996年10月3日的一個講演中指出：“??另一個謎是，所有強作用的粒子都是由夸克組成的，但是我們卻不能把單個的夸克分離出來。”早在1993年李政道在清華大學講演時也提出了這一問題。

美國基礎科學研究所所長R?M?Santilli為崔的文章寫的評論中說：“??夸克是物理實在的粒子的信條是一個真正的科學欺騙，特別是由所謂‘專家’說出來的時候。實際上夸克只能在SU（3）對稱的純數學的U空間中定義，而不能在實在的時空中定義。” 夸克或層子是否存在？

七、總結

粒子物理學的發展是在坎坷和質疑中前行，需要一代代科學家們不斷地去探索求真。

第二篇：哈佛大學《粒子物理》教材評介與分析

哈佛大學《粒子物理》教材評介與分析

張立彬（南開大學外國教材中心）

謝亞平（南開大學物理科學學院）

[內容摘要] 本文介紹了美國哈佛大學粒子物理課程使用的教材的基本情況。通過評介與分析，建議國內編寫同類教材時，也應由名家撰寫、文獻豐富、善用圖表、因材施教、及時更新、問題新穎、風格多樣等。[關 鍵 詞] 哈佛大學；理論物理；粒子物理；教材評介；啟示

《Particle Physics： A Comprehensive Introduction》（粒子物理：綜合導論）是美國哈佛大學物理系課程編號為5341的課程“Physics 248.Phenomena of Elementary Particle Physics ”（基本粒子物理唯像學）所選用的教材。該課程還有三本教科書，即《Gauge Theories in Particle Physics》、《 Quarks and Leptons：An Introductory Course in Modern Particle Physics》和《 An Introduction to Gauge Theories and Modern Particle Physics》。本文評介的教材《Particle Physics： A Comprehensive Introduction》由前言、正文、附錄、參考文獻和索引五個部分組成，其中正文13章，共473頁。本書的作者是美國加州大學圣克魯茲分校的Abraham Seiden教授。

一、出版與作者情況

《Particle Physics ：a Comprehensive Introduction》由美國加州大學圣克魯茲分校的亞伯拉罕·西頓(Abraham Seiden)教授撰寫。2005年由美國安德森·衛斯理(Addison Wesley)出版公司出版。[1]

Abraham Seiden教授是美國加州大學圣克魯茲分校粒子物理研究所的主任，該研究所是圣克魯茲大學的一個獨立的研究所，該所有30多位博士學位的科學家，它的研究領域為粒子物理學，天體粒子物理學和神經生物學，以及由于粒子物理學的革新而衍生出的其他學科領域。自從1978年以來，Abraham Seiden教授一般在這個研究所工作，1981年至今，亞伯拉罕教授一直是該該研究所的主任。Abraham Seiden教授1989年被選為美國科學學會的會員，1995年，他獲得了圣克魯茲大學自然科學領域杰出貢獻獎。

Abraham Seiden教授1967年在哥倫比亞大學獲得應用物理學學士學位，1970年獲得加州理工大學碩士學位，1974年獲得加州大學圣克魯茲分校的博士學位。Abraham Seiden教授的研究領域包括了夸克碎裂過程、深度非單散射，重介子的弱衰變亞，弱相互作用中的CP破壞和混合，電弱理論的自發對稱性破缺以及強子的碰撞過程。亞伯拉罕教授是現在世界上大多數粒子碰撞加速器中心探測器建設工程的領導者。這些工程包括幫助歐洲核子中心大型強子對撞機制造硅陣列探測器來跟蹤粒子。

在Abraham Seiden教授的工作領域，他是高能物理領域的權威，他是美國斯坦福直線加速器和歐洲核子中心科學政策委員會的委員，大型微光探測引力波項目工程的委員。Abraham Seiden教授還是高能物理咨詢委員會的成員，該委員會向美國國家自然科學基金會陳述意見。

二、本書的創作背景

自從上個世紀四十年代以來，費曼、施溫格、朝永振一郎三個人提出量子點動力學以來，然后是高能加速器的運用，幾十年以來，粒子物理取得了無以計數的科研成果。上個世紀七十年代，自從溫伯格、薩拉姆和格拉肖三個人提出了標準模型以來，粒子物理又迎來了一個新的春天。通過無數的實驗證明，標準模型 在很多的情況下與實驗符合的很好，但是，和任何理論一樣，標準模型也不是終極理論，它也存在某些不能解決的問題。主要是中微子振蕩和希格斯粒子的存在與否等問題。在標準模型下，中微子是無質量的粒子，但是實驗上卻觀測到中微子有振蕩現象，說明，它是有質量的，所以，標準模型必須修改。希格斯粒子通過和費米子之間的Yukawa相互作用而使費米子改變質量，在標準模型下，希格斯粒子必須存在，但是，在當今的實驗觀察中，還沒有一個能夠觀測到希格斯粒子的實驗實例。還有一個重要的問題就是在低能情況下，微擾方法在強相互作用的計算方法中完全失去了效力，使得強相互作用的問題變得非常復雜，至今沒有一套完整的理論來解決強子的衰變問題。本書在以上的背景下，重點描述了標準模型的主要內容，包括基本粒子和基本相互作用的理論。[2]

三、本書的主要內容

這本教材涵蓋了粒子物理中標準模型下的基本概念和理論，標準模型的目的是了解亞原子結構以及其中的基本相互作用的理論，進而使人類對微觀尺度有一個更加深刻的認識。

標準模型通過一些基本的粒子來描述三種基本的相互作用，這些基本粒子包括三代夸克和三代輕子以及傳遞相互作用的規范粒子。這些基本粒子已經被當今的自然科學研究所揭示了，它們的存在已經通過加速器的實驗證明了，標準模型已經被無數次實驗被證明了它的正確性。[3]

粒子物理課程一般在研究生的二年級開設，在高等量子力學之后，和場論一般在同一年開設。通過多次課程實踐經驗的總結，我在本書中自然地就列出了狄拉克方程的形式，以及基本的場論知識。同時，我們假定學生學習本課程的時候已經學習完了量子力學，包括角動量和克萊不登-高登系數。在場論方面，我已經試圖去闡述數學在解釋物質中的作用了。這其中的物質是多自由度的，而不是單粒子的情形。

在當今的粒子物理學中，我們可以寫下一些方程來推測它們的因果聯系，或者是通過實驗現象來研究理論體系。我們這本書的內容是選用后一種研究方法來研究粒子物理學，這要求我們的學生更多地了解我們的理論體系和理解標準模型下的證據。特別是在強相互作用的非微擾理論下的情況更應該如此。

本書可以作為一個學年的課程的教學任務，也可以作為一個學期的專題討論版教材。例如，對于弱相互作用，前三章的內容可以調整，因為其他的課程已經講述了。而對于夸克禁閉模型和強子理論來說可以更加簡略地講述。

本書的主要內容分為三大部分，第一部分主要是講粒子物理的研究方法，通過高能加速器上的碰撞實驗和宇宙射線中的觀測實例，從而觀測其中的粒子之間的散射截面和衰敗寬度。然后，告訴讀者如果計算粒子物理中的散射截面和衰敗寬度。第二部分是講述微觀世界的三種基本的相互作用以及基本粒子。三種基本作用包括電磁相互作用，書中講述了輕子和輕子、輕子和光子之間的相互作用；第二種相互作用是強相互作用，本書在講述強相互作用時候，講述了強子的衰變，介子的衰變，以及強子的分類，強相互作用中的同位旋破壞和對稱性研究方法等等；第三種相互作用是弱相互作用，本書在這里講述了重介子的弱衰變，弱相互作用中的混合和CP破壞現象。第三部分是講述了當今高能粒子物理的科學進展，主要是大動量轉移的碰撞實驗，在高能情況下，量子色動力學是可以用微擾方法來計算的，在大動量轉移情況下，強相互作用具有漸進自由的特性，本書還在這一部分講述了LHC的研究情況以及二十一世界的粒子物理研究領域并對未來的高能物理進行了展望。

四、本書的學術價值

本書雖是作為一本研究生教材，但其學術價值卻很深入，由于作者的工作和學術背景，本書學術價值的重心在唯像研究。本書著重講述了現在各加速器實驗室的各種實驗進展。比如，在3-5GeV能區，主要是C物理現象。北京正負電子對撞機所進行的實驗，粲偶素物理一直在現在中高能物理的一點難點，因為在粲物理能區，由于耦合常數過大，整個微擾理論失效。本書在討論粲物理問題主要是應用非微擾方法，這也是現在解決粲物理問題比較有效的方法。在9-12GeV能區主要是B物理，現在B物理的加速器主要有日本的B工廠等，現在B物理能區的主要研究方向是弱混合和CP破壞，本書在弱相互作用這一章中重點講述了弱混合和CP破壞，這是最新的研究成果。另外還有中微子物理，也是當今粒子物理科學的前沿，本書也講述了中微子的振蕩，這是中微子有質量的間接證據，也是標準模型外所不能解釋的問題。本書雖然為教材，但是對于這樣的科學前沿問題做了深入的探討，這是本書的一大亮點。[4]

五、本書的主要特色

5.1內容全面。本書作為一本高年級本科生和研究生的粒子物理教材，書中的內容涵蓋了強相互作用、電磁相互作用和弱相互作用三大基本相互作用。書中沿著歷史的順序，先是介紹了電磁相互作用，通過電磁相互作用給大家介紹了如何計算散射截面和衰敗寬度。因為，電磁相互租用是現代物理學了解最深刻的基本相互作用，也是微擾計算最為精確的物理過程。然后，本書又介紹了強相互作用，強項互用因為低能情況下微擾計算失去了效力，所以只能用非微軟的方法來對付強相互作用。最后，本書介紹了標準模型下的電弱相互作用。[5]

5.2物理圖像清晰。作為一本唯像理論的粒子物理教材，本書沒有過多的量子場論和重整化，而是直接通過費曼圖，傳播子理論講述了三大基本相互作用。場論中的物理過程強調的是數學的嚴謹，但是缺少了清晰的物理過程的描述。本書彌補了這樣的缺陷，重在強調物理過程，其中本書的傳播子理論很清晰地描述了粒子的產生和湮沒的過程。

5.3數學計算過程詳細。本書作為一本導論性質的粒子物理教材，但是，其中的數學過程卻很清晰明了和詳細。相對于佩斯金的《高能物理導論》而言，本書的數學過程詳實但是不繁瑣。其中佩斯金的《高能物理導論》主要講的是試驗中觀測到的物理現象和基本的物理理論，數學計算的結果比較簡略，這對于初學者是一個比較困難的過程，因為初學者往往很難理解高能物理中的計算過程。本書對于散射截面和衰敗寬度給出了較為詳實的計算過程，這很有利于初學者。

5.4圖表眾多。物理作為一本以實驗為基礎的實驗科學，最強調的是和實驗的同步，為了說明復雜的物理過程，本書引用了很多的圖表來闡述其中的物理過程，其中有散射費曼圖，還有一些模擬圖。通過以上幾種圖表，讀者可以清晰地知道其中的物理行為。散射截面的圖表最為說明其中的問題了，這也是現代高能物理研究的一個重要的方法，本書為了闡述清楚其中的計算結果，引入了很多的圖表來說明情況，給人一種清晰、明朗的感覺。

5.5緊密聯系最新科研進展。本書成書于2004年，是適合于21世紀的前沿科學的教材。本書在講述基礎科學的同時，也融入了最新的關于高能物理的進展。其中，本書著重講述了強子的衰變，弱相互作用的CP破壞和中微子振蕩等最新的科學進展。其中，弱相互作用中的CP破壞是1998年的諾貝爾物理學獎獲獎的課題，中微子振蕩是2000年諾貝爾物理學獎獲獎的課題。本書通過最新的科研動態和基礎理論的聯系啟發讀者，這是本書的一個鮮明的特色。5.6結構嚴謹，重點突出。本書開篇先講實驗上的怎么觀測到高能物理的現象，然后，講述如果計算散射截面和衰變寬度。這是我們認識自然世界的的方法，這些基礎的東西在本書中雖然不是重點，但是是必須的。之后，本書著重講述了三種基本相互作用的理論。這是本書的重點，也是我們認識自然世界的內容。本書作為一本唯像的粒子物理教材，也沒有重點講述重整化群的方法，因為，那是一般場論教材的內容，通過以上的輕重有別的指導思想完成的本書的結構明朗，沆然一氣，學完本書之后，學生能夠基本掌握粒子物理學科的基本知識。

六、適用對象與社會反映 本書出版以來，受到的各類讀者的廣泛好評，本書的主要讀者群為物理系的研究生和高校的教師以及各研究所的研究員。因為本書與最近的科研進展緊密聯系，本書的出版全球谷地的讀者帶來一種新的氣息，受到廣大專家學者以及學生的高度評價。

美國休斯頓大學的Lawrence Pinsky教授曾說：“我早就覺得應該有一本關于當今粒子物理領域的教材了，我很歡迎這本重要的新的教材的出現。中國南開大學物理學院博士研究生王曉鶴評介本書說“通過這本書，可以了解粒子物理學的最新進展和新的科研方向，對于指導我的博士論文很有裨益。”美國加州理工大學物理系研究生John TD Jones評論： “我用這本書做教材，它的數學演算很明朗，我在這本書中了解到了粒子物理中的基本的計算過程”卓越亞馬遜網友評論“作為一名初學者，這本書從基本的費曼圖說起，然后再到最新的科學前沿，這是一本非常適合初學者的粒子物理教材。”

七、對國內大學編寫同類教材的啟示 本書為美國著名大學的教材，對于中國的高等教育教材建設有著很大的啟示作用，主要有以下幾點：

7.1名家撰寫。作者富有豐富的教學和科研經驗，本書的作者Abraham Seiden教授是美國物理學會的會員，同時也是世界在建幾個加速器探測器的指導者，他有著幾十年的科研經驗，對粒子物理的進展了解非常深入和透徹。能夠把握住當今科研的動態，所以讀者能從本書獲得不少的收獲。所以，我們中國的高等教育教材建設要上一個新臺階，必須也需要這樣的大家來撰寫教材。

7.2文獻豐富。豐富的引用文獻，本書的引用文獻有上百種，包括了粒子物理理論和實驗的經典教材和論文。本書不僅列出了全書的參考文獻，而且在每一章都給了這一章所需要的參考文獻，本書的索引也是非常多，有幾百條之多，這樣給了讀者很大的便利。而反觀中國國內的一些教材，參考文獻只有十幾本，沒有分章地列出本章的參考文獻，而且沒有索引，這樣給讀者帶了很大的不便。所以，以后國內的教材也應該分章列出參考文獻，在書后列出索引。

7.3善用圖表。本書在書中列出了很多的數據圖表，這些圖表通過橫向和縱向的數據對比，使晦澀深奧的物理問題通過圖表清晰地闡述清楚。在當今的實驗方法來研究微觀粒子都是通過加速器的對撞實驗，然后測量反應的散射截面，共振態的能量來說明其中的物理規律，在微觀世界里，我們沒有直接的方法來了解其中的相互作用的基本規律，所以，只有運用間接的方法來了解微觀世界的物理規律。通過圖表可以使讀者對實驗過程的趨勢有一個整體的印象，更加準確地了解其背后的物理規律。

7.4.因材施教。本書是美國教材的一個個例，通過這個個例我們可以看到美國教材的特點，那就是根據本課程的特點來量身定做地編寫教材。本書是一個粒子物理的教材，側重在物理圖像和基本相互作用的直觀理解，但是，作為粒子物 理中的重要的重整化理論，本書沒有深入的涉及，而是，把重整化理論放在量子場論來重點講述。

7.5 及時更新。當今科技日新月異，作為教材也在講述基本理論的同時，也應該考慮到當今科技的最前沿的進展。這本書作為哈佛大學的教材給了我們中國高校教材建設一個重要的啟示，那就是教材也是不斷更新的，應緊跟時代科技的前沿。

7.6 問題新穎。作為一本優秀的教材，本教材的課后習題非常合理，難度適中，而且，具有啟發性。這是，美國優秀教材的一個重要的特點，學生在學習基本知識的同時，能夠提出問題，這比只掌握課本內容而不思考問題要強一下，所以，一本好點教材一定要有好的啟發性。

7.7 風格多樣。作為一個理科教材，當然不必要語言非常華麗、優美，但是也應該不干澀，在不失科學性、準確性的同時，也應寫得語言流暢、理解通順。這是本書給我們的另外一個啟發，閱讀本書，并不晦澀難懂，而是一種優美的享受。所以，我們希望中國高校的教材也應該注意語言方面的問題。

八、本書的章節目錄 第一章：粒子物理教程 第四章：強子 1.1： 導論 4.1： 強相互作用的電荷結構 1.2： 我們測量的是什么？ 4.2： 量子數 1.3： 相互作用的結構 4.3： 內稟對稱性 第二章：怎么去計算散射截面 4.4： SU(2)群與SU(3)群的生成元 2.1： 自由粒子 4.5： 顏色場之間的相互作用 2.2： 0自旋粒子 4.6： 顏色場的勢 2.3： 拉氏量密度 4.7： 束縛態的大小 2.4： 對稱性與拉氏量 4.8： 重子 2.5： 1自旋粒子 第五章：同位旋與味道的SU(3)群，近2.6： 1/2自旋粒子 似對稱性 2.4： 特解的解釋 5.1： 輕夸克族 2.9： 態的時間態 5.2： 輕介子 2.10：時間演化與粒子交換 5.3： Breit-Winger傳播子與介子的2.11：動量空間的傳播子 壽命 2.12：衰變率與散射截面的計算 5.4： 矢量介子衰變 2.13: 粒子交換與湯川勢 5.5： 衰變的物理圖像 2.14：量子場論 5.6： 三夸克重子態 第三章：輕子與光子的散射 第六章：夸克的禁閉模型 3.1： 相互作用的哈密頓量與輕子流 6.1： 夸克禁閉 3.2： 電子與μ子的散射 6.2： 重子的磁矩 3.3： 正負電子對湮沒成正負μ子對6.3： 介子與重子的質量 的散射 6.4： 光子與矢量介子的耦合 3.4： 電子與電子的散射 6.5： 贗標介子與矢量介子的輻射躍3.5： 正負電子產生正負電子的散射 遷 3.6： 輕子對與光子對的散射過程 6.6： 贗標介子衰變為爽光子 3.7： 微擾展開的高階項，費曼規則 6.7： 本章小結 3.8： 洛倫茲不變性與場論 第七章：顏色場的規范理論 3.9： 散射矩陣的特殊對稱性 7.1： 局域規范不變性 7.2: 標度無關性的矛盾

7.3： 強項會作用的近似手征對稱性 7.4： 對稱性自發破缺 7.5： 拉氏量中的夸克質量 第八章：費米子的弱相互作用 8.1： 弱規范群 8.2： μ子的衰變 8.3： Tau子的衰變 8.4： 帶電夸克流

8.5: 帶電的π介子衰變

8.6： 奇異熟改變的夸克流與K介子衰變

8.7： 贗標介子的弱衰變的一般理論 8.8： K介子向兩π介子的衰變的振幅 8.9： K介子向三π介子的衰變的振幅 8.10：稀有的K介子衰變 8.11：重夸克的弱衰變 8.12：重夸克的有效理論 8.13：本章小結

第九章：弱相互作用的混合現象 9.1： 產生粒子的相互作用與探測 9.2： 贗標介子的弱衰變的混合 9.3： K介子系統 9.4： D介子系統 9.5： B介子系統 9.6： 中微子振蕩

參考文獻：

第十章：電弱相互作用的規范理論與對稱性破缺

10.1： 弱中性流 10.2： 中性流混合

10.3： Z介子的唯像理論

10.4： 規范玻色子的自相互作用 10.5：希格斯機制

10.6: 溫伯格-薩拉姆理論 10.7: W、Z玻色子的質量修正 10.8: 費米子質量的概述 10.9: 馬約拉納中微子

第十一章： 大散射截面過程 11.1：過程的種類 11.2：多極庫倫散射

11.3：電子與光子的輻射過程 11.4：強子的單舉過程

第十二章：大動量轉移的散射過程 12.1：過程的種類

12.2：正負電子對湮沒成強子 12.3：強子的結構和近距散射

12.4：電子=質子深度散射的單舉過程 12.5：標度破壞率

12.6：橫向大動量轉移的正負質子散射過程的結論 12.7：下一個邊界 第十三章：高能物理學[1] Abraham Seiden.Particle Physics： A Comprehensive Introduction.Addison Wesley，2005：1-473.[2] Cheng,T.-P and Li,L.-F,Guage Theory of Elementary Particle Physics, Oxford University Press,Oxford,UK,1984.[3] Peskin,M.E.and Schroeder,D.v.An Introduction to Quantum Field Theory,Addison-Wesley,Reading,MA,1995.[4] Perkins,D.H, Introduction to High Energy Physics(4th edition), Cambridge University Press ,Cambridge,UK,2000.[5]Itzykson,C.and Zuber,J.-B.Quantum Field Theory.McGraw-Hill,New York,1980.[作者簡介]張立彬（1964—），男，河北石家莊人，教育部南開大學外國教材中心副教授，現主要從事信息文化、信息技術與外國教材研究，發表各類學術論文100余篇，其中被《新華文摘》全文轉載或論點摘編4篇；謝亞平（1982--），男，湖南婁底人，南開大學物理學院研究生，主要從事理論物理研究。

本文系教育部2009科研項目“中美一流大學物理教育比較研究”的階段性研究成果之一。

第三篇：八年級物理下冊小粒子和大宇宙教案

第十章小粒子和大宇宙(一)本章概述 1.課標要求： 科學內容

●知道物質是由分子和原子組成的。

●了解原子的核式模型。了解人類探索微觀世界的歷程，并認識到這種探索將不斷深入。●大致了解人類探索太陽系及宇宙結構的歷程，并認識到人類對宇宙的探索將不斷深入。●對物質世界從微觀到宏觀的尺度有大致的了解。●能從生活、自然中的一些簡單熱現象推測分子的熱運動。初步認識宏觀熱現象和分子熱運動的聯系。

●能舉例說明自然界存在多種多樣的運動形式。知道世界處于不停的運動中。2.教材分析：

本章教材的重點是：物質是由分子和原子組成的；分子動理論的基本觀點；物質世界從微觀到宏觀的尺度的大致數量級概念；人類對微觀世界和宇宙的探索將永無止境。本章教材的難點是對微觀世界概念的建立，人類探索微觀和探索宇宙過程中的科學方法和科學態度的形成，以及從中感受科學精神和人文情操的過程。3.教法、學法指導

⑴從微觀和宏觀兩個方面以不同的文獻資料向學生展示人類生存的物質世界的真實畫卷，讓學生初步認識物質世界的基本構成。

⑵通過實踐讓學生感受微觀世界的運動及物質存在的三種狀態。

這種設計方式是為了讓學生在初步了解物質世界的基礎上通過自己的實踐來感知組成物質世界的最小單元的運動情況。

⑶通過實驗探索來加深學生對物質世界特性的認識，也加強他們的動手能力和對用實驗來探索真理的科學態度和方法。4.課時安排：3課時(二)課題教案參考 第一節走進微觀 1.教學目標：

⑴能簡單說明物質是由分子和原子組成的，了解分子運動理論的基本觀點。⑵了解原子的核式模型，大致了解人類探索微觀世界的歷程，并認識到這種探索將不斷深入。⑶對物質世界從微觀到宏觀的尺度有大致的數量級的概念。2.教材分析：

本節的重點是物質是由分子和原子組成的，原子的核式結構模型。

本節的難點是學生對微觀世界“小”的概念的建立和探索微觀世界的科學方法的形成過程。3.課時安排： 1課時

4.教學準備： 掛圖，VCD片 5.教學設計 6.板書設計 教師活動 學生活動

說明

我們生活在遼闊的宇宙中，宇宙到底有多大？又是由什么東西組成？空氣到底由什么物質組成？從今天起，我們學習§10.1 走進微觀

(板書)讓學生看書“物質的組成” 1.物質是由什么組成的？

2.為什么說分子是組成物質的最小微粒？ 3.第一位提出分子的人是誰？

4.1cm3的水中含有3.34×1022個水分子，你能感悟到分子的大小嗎？ 指導學生閱讀“微觀粒子” 1.原子是由什么構成的？ 2.原子核由什么構成的？

抓住原子結構的核式結構認識到這種結構非常牢固。帶著問題閱讀教材，思考。學生回答。讓學生小結 完成作業

看書 分子 討論 回答： 很小 閱讀

原子核和電子 質子和中子

1.你知道哪些微觀粒子？

2.這些粒子的大小順序你能知道嗎？

3.人們現在用什么方法發現了更小的粒子？ 總結

計算課后題目 做同步訓練

引入課題 自主學習

認識原子結構，知道原子由原子核和電子組成，了解原子核由質子、中子組成。鞏固練習

(三)教學參考資料

物質的分子都極其微小，如果把分子看做圓球，那么各種分子的直徑都只有幾分之一個納米左右(1nm=1×10—9m)。水分子的直徑大約是4×10—10m，相當于頭發粗細的十萬分之一。1cm3的水中就含有3.34×1022個分子。據估計一只螞蟻喝一口水就吞下2×1019個水分子。10萬個氧分子依次排列起來，總長僅0.03mm。原子大小是10—10m，原子核的大小在10—14m以下，原子核的半徑只相當于原子半徑的萬分之一。原子核的體積與原子體積的比應為萬億分之一。1.電子的發現

19世紀80年代初，湯姆遜在卡文迪許實驗室進行氣體放電現象的研究，關于陰極射線性質的爭論是當時的一個中心議題。陰極射線管是一根兩端裝有電極的封閉的玻璃管，當將其中的空氣抽去后，再在管子的兩端電極上加上較高的電壓，玻璃管就發生放電現象，陰極會發射出一種射線。實驗發現陰極射線在電場和磁場中會迅速隨著場的變化而發生偏轉，根據偏轉方向確認陰極射線是帶負電的粒子流。為了進一步確定陰極射線的性質，湯姆遜進行了一系列的實驗，測定陰極射線粒子的荷質比。1897年初，湯姆遜先使陰極射線在磁場中發生偏轉，而后由給定的磁場、射線的曲率半徑等推算出陰極射線粒子的荷質比。此后，湯姆遜提高了放電管的真空度，又成功地使射線在靜電場作用下發生了偏轉。與此同時，湯姆遜給放電管分別充入各種不同的氣體進行實驗，發現測得的粒子荷質比的值與充入管內的氣體性質無關。后來他又用不同的金屬材料做成電極，其結果也不變。這表明來自各種不同物質的電極的陰極射線都是一樣的，因此這種粒子必定是所有物質所共有的組成成分，湯姆遜把它叫做“微粒”。以后，湯姆遜又分析比較了其他科學家所做的陰極射線粒子的荷質比與塞曼從光譜測量中求得的分子內帶電粒子的荷質比是同一數量級，這一事實使他得出了陰極射線粒子比原子小的結論。至此可以說湯姆遜已經發現了這種比原子小的粒子——電子。但必須注意的是，這還僅僅是一個推論，因為這種粒子的荷質比是氫離子比荷的1000倍。有兩種可能，或者是電荷e很大，也可能質量很小，都導致荷質比值較大。因此必須尋找新的更直接的證據來測定電荷e或質量m。湯姆遜選擇了測定e的辦法，在其他科學家的共同努力下，他利用帶電粒子在飽和蒸汽中形成霧滴的現象，測得了粒子的電荷，至此，湯姆遜發現了電子。

電子的發現，使人們認識到原子不是組成物質的最小微粒，原子本身也具有結構。由于原子含有帶負電的電子，從物質的中性出發，推想到原子中還有帶正電的電子。這就提出了進一步探索原子結構、建立原子模型的問題。2.湯姆遜的原子模型

“蛋糕＋葡萄干”模型。他假設原子帶正電的部分像“流體”一樣均勻分布在球形的原子體積內，負電子則嵌在球體里。電子一方面要受正電荷的吸引，一方面要自相排斥。根據經典力學理論及電荷間的平方反比作用力計算出這些電子必然沿若干同心環旋轉才能平衡，并給出了計算各環電子數的公式。3.α粒子散射實驗

自1898年居里夫婦發現鐳輻射以后，盧瑟福用20多年時間研究放射性現象。1904—1905年間，盧瑟福在實驗中發現，α射線通過空氣或金屬箔后，產生的譜線較寬并缺乏鮮明的界限。他認為，這表明α射線通過空氣或金屬箔時被散射，其原因在于原子處于強電場狀態，測定α和β粒子通過靶原子的偏斜度是探索原子內部電場的一種重要方法。1908年蓋革和盧瑟福一起，發明了探測α粒子的氣體放電計數管。在計數管中的氣體分子使α射線散射，影響了計數工作，為消除這種影響，蓋革轉向研究α射線的散射問題，并發現散射角與材料厚度和材料的相對原子質量成正比，與α粒子的速度成反比。這促使他們選用原子質量大的“金”做散射實驗。蓋革還發現，大多數α粒子散射角很小，極少數偏角很大。1908年10月，布拉格也寫信給盧瑟福，談到他在觀察α粒子轟擊原子的實驗中，發現“徑跡急轉彎”的現象。促使盧瑟福大膽提出，要觀察一下是否有α粒子能被大角度散射。1909年3月，蓋革和馬斯頓用鐳作放射源，金箔作靶，用閃爍法計數，結果發現有1/8000的α粒子偏轉角度超過90°，甚至有極少數的反彈回來。這使盧瑟福大為吃驚，他說：“它是如此難以令人置信，正好像一個炮手將一顆炮彈射到一張薄紙上，而炮彈居然反彈回來一樣。” 盧瑟福認為，在湯姆遜的原子模型里，無論是均勻分布的正電荷還是電子都不足以把α粒子反彈回去。電子的質量只有α粒子的八千分之一，碰撞時根本改變不了α粒子的徑跡；正電荷若是均勻分布在原子球內，根據靜電學理論，均勻帶電球的電場以邊緣處最強，參照已知的原子球直徑的線度，最多只能使α粒子產生0.03°的偏斜。湯姆遜為解釋大角度散射現象曾提出“小角度倍加散射理論”。盧瑟福認為這也不可能。在多次碰撞的情況下，粒子向各個方向偏離的概率是相同的，向同一方向多次偏離疊加成大角度散射的可能性是極小的。盧瑟福認為：“對于厚度小的物質，由于與原子碰撞，粒子的分布主要由單散射所控制。”盧瑟福感到要說明大角度散射，必須建立一個新的原子模型。盧瑟福經過計算，終于證明了大角度散射只能是單次碰撞的結果，也就是說α粒子碰到了一個比原子小得多但又很重且帶正電的硬東西，α粒子受到了很強的電場作用，這個很硬的東西就好像是原子的“核”一樣。1911年，盧瑟福根據實驗結果，否定了湯姆遜的原子模型，提出了原子的有“核結構模型”。他認為所有的正電荷和原子質量都集中在原子中心的一個非常小的體積內，即原子核，在核的周圍一些帶負電的電子繞核運動。原子核與電子之間的距離很大。帶正電的核和帶負電的電子間的靜電引力把整個原子結合在一起。(四)學案

1.學習目標：

⑴能說明物質是由分子和原子組成的 ⑵了解原子的核式模型 2.學法指導

自主學習，討論式學習3.釋疑解難

物質是由分子和原子組成的。有的物質由分子組成，有的由原子組成。4.自我檢測

⑴物質是由____________和______________組成的。

⑵原子是由____________和______________組成的。質子又是由___________和____________組成的。5.交流園地 6.課外空間 加速器

加速器是一種用人工方法產生快速帶電粒子束的裝置。它通過電磁場的不同組合形態，實現對電子、質子、或重離子等帶電粒子加速，能產生幾百兆到幾千兆電子伏能量的高能粒子流，這些高能粒子流就像炮彈一樣，可以打碎物質的深層結構，從而使人們了解物質的內部結構。粒子的能量越高，越能深入到物質的內部。因此，加速器是人們變革原子核和基本粒子、認識物質深層結構的重要工具，在科學研究、國防建設等方面有重要而廣泛的應用。近幾十年來，世界各發達國家都建設了各種不同用途的加速器，粒子的能量越來越高。我國在北京建成“正負電子對撞機”，已經獲得了許多重要的科研成果，此外，在蘭州、合肥等地建成了重離子加速器等不同功能的加速器。(二)課題教案參考 第二節看不見的運動 1.教學目標： ⑴知道分子之間存在空隙 ⑵知道分子是運動的

⑶知道分子之間存在作用力 ⑷能用分子動理論解釋有關現象 2.教材分析

本節的教學重點、難點是學生通過探究性實驗、通過合作和交流的方式歸納出分子動理論的基本觀點。

各種物質的分子是如何排列的呢？分子是否會運動？分子之間有否力的作用？

可以讓學生提出各種自己的猜測和假設，同時教師也可將自己的猜測和假設提供給學生。做實驗：這是證實自己假設的一種途徑，學生通過自己的實驗觀察，將結果填入空格中。活動交流：學生之間相互交流實驗結果，教師也可將自己的實驗結果演示給學生看。分析論證：對所有實驗結果進行分析，并指出科學家為了揭示物質在不同狀態下的特征所建立的模型，也是研究問題的方法之一。

評價：歸納所有實驗結論和學生探究過程中的結果。3.課時安排 1課時 4.教學準備

量筒兩個，集氣瓶6個，玻璃片3個，燒杯兩個，鉛塊2個，注射器1個，酒精，水，二氧化氮氣體。5.教學設計 教師活動

學生活動

說明

復習鞏固

引入：物質由分子組成，這些又小又輕的分子是不是一個挨一個地擠在一起呢？ 肉眼看不到又小又輕的分子，那么怎樣才能知道分子在運動呢？ 演示實驗：

鉛塊能被拉開嗎？ 水能被壓縮嗎？ 小結：

指導學生做同步訓練

1.物質是由_____或_____組成的，分子是由_____組成的。2.水有水的化學性質，保持這種化學性質的最小微粒是： A分子

B質子

C中子 D電子 學生實驗：分組操作 填表： 結論：

當水與酒精混合時，總體積就比預計的要_______。雖然肉眼不能直接看到物質內的分子，但上述實驗表明：分子之間確實存在著_________________________。學生實驗： 氣體分子的運動 液體分子的運動

結論：上述實驗現象表明分子是在永不停息地________。填寫實驗探究：

1.把兩塊表面干凈的鉛壓緊，下面吊一個重物時_____把它們拉開。2.水_________(“容易”或“不容易”)被壓縮。1.分子之間有空隙 2.分子是運動的

3.分子之間有相互作用的引力和斥力 做同步訓練

加深鞏固基礎知識 學生自主學習

鍛煉學生的觀察能力及總結能力 引導學生小結

6.板書設計

第二節看不見的運動

一、分子間有空隙嗎

二、分子是運動還是靜止的

三、分子之間存在作用力嗎 7.教學反思

(三)教學參考資料

分子動理論的建立：原子理論的萌芽產生于2000多年前的古希臘時期，但因中世紀的生產和科學發展緩慢，物質結構的學說也長期停止發展。直到17—18世紀，由于產業革命的推動，蒸汽機得到改進和普遍使用，促進熱學發展，人們開始探討熱現象，出現了定性的分子動理論學說。當時的人們普遍相信熱質說，只有在19世紀中葉，建立了能的轉化和守恒定律后才徹底否定了熱質說后，定量而系統的分子動理論迅速發展起來，到20世紀初期，達到了比較完善的地步。(四)學案

1.學習目標：

⑴知道分子之間存在空隙 ⑵知道分子是運動的

⑶知道分子之間存在作用力 2.學法指導

討論學習，通過認真觀察實驗，完成實驗目的，充分討論，達到理解的目的。3.釋疑解難：

讓學生通過探究實驗，通過合作交流的方式歸納出分子動理論的基本觀點。可以讓學生做課堂內容的延續實驗，讓學生體會分子動理論的內容。我們已經知道物質是由分子組成的，分子由原子組成，那么組成物質的這些微粒是怎樣排列的呢？是像士兵的隊伍還是像墻一樣密不透風呢？這些分子是靜止的還是運動的呢？ 分子間有空隙嗎 用眼睛觀察一杯水和一杯酒精，能看到水分子之間和酒精分子之間有空隙嗎？我們能不能就以此來判定分子之間沒有空隙？對此你有怎樣的猜想？

除課本上圖10—15水和酒精的實驗外，你能否另外設計一個實驗證明分子間有空隙？說出你的設計與實驗。

分子是運動的還是靜止的

打開醋瓶子，馬上聞到酸味；打開香水瓶蓋，不一會兒香氣滿屋。這些司空見慣的現象說明了什么？

課本圖10—16和圖10—17所示的實驗，證明了什么？在日常生活中你還見到哪些現象能夠說明分子是在永不停息地運動著？請你和同學們交流討論。

一根繩子能夠吊起重物，兩滴水銀靠近時自動合在一起，液體和固體的體積很難被壓縮，根據客觀存在的一些現象進行分析和推理，說明分子間存在著力的作用。

認真觀察課本圖10—20和圖下的解釋，從中你能否提出幾個問題？試試看，對你提出的問題可讓老師幫你解決。4.自我檢測：

⑴兩滴水銀相接近時，能自動結合成一滴較大的水銀，這一事實說明分子間存在著__________。

⑵鮮花放在沒有空氣流動的房間里，到處都能聞到它的香味，這是由于____________造成的。⑶下列現象不能說明分子在運動的是： A浸在鹽水中的雞蛋變成咸蛋 B汽車駛過，公路上揚起灰塵

C一滴紅墨水放入清水中，過一段時間杯中水全部變成紅色 D液體的蒸發 5.交流園地 6.課外空間

⑴固體之間存在引力作用實例介紹。

用美工刀將一根長約10cm、直徑2mm的熔絲切成兩等份，切口要保持平整光滑；然后用刀使切口密合，經試驗牢固后掛上鉤碼，再逐步增加鉤碼的個數，觀察熔絲是否分開。⑵液體分子之間存在斥力。

把一塊面積約等于15cm×15cm的玻璃四角用線固定，也可用萬能膠粘合，吊在彈簧測力計下面，使玻璃的下面水平地與水面接觸(不要使玻璃全部浸入水中)，手持彈簧測力計緩慢提起，使玻璃脫離水面，觀察彈簧測力計的示數是否發生了變化。(二)課題教案參考 第三節探索宇宙 1.教學目標

⑴大致了解人類探索太陽系及宇宙結構的歷程。⑵認識到人類對宇宙的探索將不斷深入。2.教材分析

本節以我們生存的地球為基點，逐步向著太陽系、銀河系直至宇宙的范圍呈示，不僅展示宇宙這一物質世界的總稱的清晰脈絡，而且將人們探索宇宙的過程以及探索宇宙的工具提供給學生，使學生對目前的科學技術發展有一基本了解。最后，又以人們對太空的探索和向往為題，鼓勵同學們學好物理知識，去實現人類探索太空的夢想。本節的重點是對宇宙的了解。

本節的難點是通過人類對宇宙探索歷程的展示，培養學生對科學的追求、認識宇宙的科學態度、探索宇宙的科學精神。3.課時安排 1課時

4.教學準備：

圖片，與課本配套的VCD片 5.教學設計：

情境1 中國古代對宇宙的研究。

問題1 宇宙如何構成？如何探索廣袤的宇宙呢？ 猜想與假設：可以讓學生提出各種自己的猜想和假設，同時教師也可將自己的猜想和假設提供給學生。查文獻：可以讓學生分組查有關文獻資料，教師也可以提供給學生一些物理學發展史和探索宇宙的技術手段發展的文獻資料，也可以讓學生利用網絡功能收集有關證據。

活動交流：其中包括小組成員之間的交流、組與組之間的交流、教師與學生的交流過程。分析論證：通過交流，對提出的問題或有關的猜想進行分析。

評價：包括對科學探究之后所得結論的歸納、對學生探究過程的總結。教師活動

學生活動

說明

復習鞏固 過渡

指導學生閱讀學習指導學生閱讀學習播放VCD片

充分發揮你的想象，為了使你的想象成為現實，你現在應該做些什么？

1.分子動理論包括哪些主要內容？ 2.哪個實驗能說明分子是運動的？ 看書 問題

1.簡要說明中國探索宇宙的歷程。2.簡要說明國外探索宇宙的歷程。1.指出恒星、行星、衛星的運轉規律。觀看 討論

鞏固知識 學生自主學習

6.板書設計

第三節探索宇宙

一、探索的歷程 中國古代： 國外古代：

二、浩瀚的星空

恒星→行星→衛星

三、幻想與追求 7.教學反思：(三)教學參考資料

關于探索宇宙的發展史和技術

探索宇宙：廣袤而深邃的星空，隱藏著無窮的奧秘。自古以來，人們一直試圖用各種方法來探究宇宙。早期由于生產力的低下，人類除了編寫層出不窮的神話、幻想來寄托人類對宇宙的關注外，卻對繁星如海、神奇莫測、謎團重重的宇宙表現出一種無奈。雖然熱切地向往和試圖揭開宇宙的奧秘，但種種疑問，令人迷惘。在20世紀以前，人類也通過觀察，發現了一些天文現象，但人類無法清楚知曉天宇上的事情，也無法想像其他星球的真實面目。20世紀以來，隨著科學技術的發展，人類已成功地發射了人造衛星，并成功地登上了月球。當第一顆人造衛星進入地球軌道飛行之后，人類向地外星球的探索就被提到了日程上。現在，人類的宇宙探測器不僅為人類登上月球開辟了道路，而且已探訪了太陽系的各大行星，同時，正在向太陽系外更遙遠的星球跋涉。

人類對太空的探索和研究，具有重要的科學價值和社會影響。首先是利用航天技術的優勢，更加全面地了解了日地空間環境，考察了高空輻射帶、宇宙射線、太陽風等對地球的影響；其次，開發太陽系資源以及通過對各大行星形成的研究，了解地球形成的歷史，探索生命的起源，發現更多的新天體，揭開宇宙演化的奧秘，探訪宇宙人的蹤跡等。探索宇宙是分步進行的，先是擺脫地球的引力束縛飛往月球，然后向地球的近鄰金星和火星迸發，在周游太陽系后進入更加廣闊的銀河系和宇宙世界。

1957年10月蘇聯成功發射了人類第一顆人造地球衛星，實現了太空飛行。1969年7月21日，美國宇航員首次登上月球。為了尋找地球外知音，美國1972年和1973年先后發射了“先驅者10號”和“先驅者11號”探測器，帶有一封訪問地球外文明的“介紹信”。“介紹信”是一塊鍍金鋁質金屬牌，設計新穎別致，上面鐫刻著表示人的形象的一男一女、氫原子符號、航天器外形與人體的比例以及標明太陽系及其地球位置的圖象，同時繪出了地球相對于14個脈沖星的位置關系。這是一張通往太空的名片，能在宇宙中保留幾萬年之久。在發射“先驅者”號5年之后，1997年7月至8月，美國又向太陽系和宇宙發射了“旅行者”1號和2號控測器，上面帶有一套“地球之聲”唱片，作為人類送給外星人的第一份禮物。唱片可放音120min，主要內容有115幅照片和圖表，介紹了太陽系的概況及其在銀河系中的位置，地球的面貌、人類的科學技術發展及社會狀況等，其中有中國的長城照片；用世界上60種語言說的問候語，其中有中國的普通話等；風、雨、雷及各種蟲鳥獸等的聲音和音樂等。

近年來，隨著航天技術的發展，人們把一個個不同用途的航天器送入了太空，建立空間航天站已成為下一步的實際行動。我國也在2000年11月成功地發射了“神舟號”飛船，跨出了探索宇宙奧秘的步伐。

（四）學案

1、學習目標

⑴能了解人類探索太陽系、宇宙的歷程。⑵能認識到人類對宇宙的探索將不斷深入。

2、學法指導： 采用自主學習，然后討論，進一步認識宇宙。

3、釋肄解難：

⑴人們對宇宙的認識歷程，從古至今經歷了哪幾個階段？ ⑵人們對宇宙的認識，從最初的“蓋天說”，到后來的“地心說“、“日心說”，“反映了人們對宇宙的探索在不斷地發展，在這個發展中，其最重要的因素是什么？ ⑶有關宇宙結構的知識，你知道多少？

4、自我檢測

⑴最早提出“日心說”的是

A、哥白尼

B、伽俐略

C、牛頓

D、托勒密 ⑵世界上第一顆人造衛星發射時間是：

A、1957年

B、1961年

C、1967年

D、1970年

5、交流園地

6、課外空間

科技發展的必然——航天飛機 向大家介紹關于航天飛機的知識。大家知道的也許不少了，像美國的奮進號航天飛機發現號航天飛機等，它們都是非常先進優秀的運載工具。它們將火箭、宇宙飛船和飛機的技術有機結合在一起，能像火箭那樣垂直發射，像飛船一樣變軌，像飛機一樣水平著陸，至少可以重復使用一百次，與一次性使用的火箭相比，它們的經濟性和在其他方面的優點都是極具吸引力的。而世界上知一架航天飛機是由美國研制的哥倫比亞號，它包括3個主要部分：軌道器、助推火箭和推進器外儲箱，總長度56米，起飛容量達2000噸，軌道器可以載人和有效載荷，后段有3臺使用液體燃料的發動機，經過4次試飛后，1982年11月載著宇航號將兩顆衛星發射到地球同步軌道上，從而開創了空間商業性運輸的時代。

第四篇：八年級物理《小粒子與大宇宙》說課稿

各位老師：

你們好!

今天我要說的是滬科版八年級物理下冊第十章《小粒子與大宇宙》的第二節《看不見的運動》的內容。

首先說一下我對本節教材的分析：

一、教材分析（說教材）

1．教材簡析

本節內容是學生在學習了物質是由分子和原子組成等知識的基礎上引入的一節概念課課，本節內容比較抽象，對于分子動理論的內容是通過物質的宏觀現象分析總結出來的，所以教材對分子動理論的每項內容都是首先提出問題，然后引導學生進行實驗探索，通過討論宏觀現象，得出“分子間存在空隙、分子在永不停息的做無規則運動、分子間存在相互作用的引力和斥力”的結論。在這些實驗探究完成之后，教材接著介紹了物質中的分子狀態，解釋了固態、液態、氣態所具有宏觀特征的根本原因，充分體現了“注重實驗探究”的新理念。

2．教學目標的確定

依據《課程標準》要求、本節教材特點以及學生現有的認知水平，確定本節課的教學目標為：

知識與技能目標：

1〕理解分子動理論的基本觀點，能用分子動理論解釋生活中的相關現象；

2〕了解固態、液態、氣態的分子狀態。

過程與方法目標：

通過實驗探究。討論、分析、概括出“分子間存在空隙、分子在永不停息的做運動、分子間存在著互相作用的引力和斥力”的結論

情感態度與價值觀目標：

樂于用分子動理論的基本觀點解釋宏觀現象，對宏觀現象的微觀機理有探究興趣。讓學生體會到生活中處處蘊含物理知識，物理就在身邊，從而進一步培養學生學習物理的興趣。

3．教學重點，難點的確定

依據《課程標準》要求和本節教材實際，并結合學生的實際，本節課主要是讓學生理解分子動理論的基本觀點，所以本節課的重點是通過探究實驗歸納分子動理論的基本觀點；而對分子動理論知識，限于學生的認知水平，可能無法自己理解，得需要教師的合理引導，所以用分子動理論的基本觀點解釋生活中的相關現象定為本節課的難點。

二、教學策略（說教法、學法）

1．教法選擇：

本節教學提倡在教學過程中讓學生分組進行實驗，通過實驗探究，掌握科學的方法，培養科學態度，養成獨立觀察并分析問題、得出結論的習慣。教師是教學過程的組織者、指導者、合作者，提倡教師成為學生探究和討論的一員，積極參與學生活動，這樣可以引導學生提出自己的問題，發表自己的意見

2．學法指導：

作為教師來說，“授之以魚，不如授之以漁”，教給學生學習的方法，培養其能力是物理教學的落腳點。因此這節課采用自主學習發現問題，合作探究尋求方法的兵幫兵學習方法，從而最大限度地凸現學生的主體地位，培養學生的自學能力、合作能力、動手實驗能力、收集數據提取信息的能力。

三、教學程序及設想：

1．導入新課（2分鐘）

為更好的落實“從生活走向物理，從物理走向社會”的新課程理念，把教學內容轉化為具有潛在意義的問題，導入本節新課時，采取演示實驗導入的方式，（演示實驗是請同學們觀察桌上的分別裝有50mL酒精和50mL水的量筒，問學生能看到水和酒精的間隙嗎？）讓學生產生強烈的問題意識，使學生的整個學習過程成為“猜想”繼而思考的過程。

2.新課教學（25分鐘）

(板書：看不見的運動)

探究一：分子間有空隙

請同學們按課本中第一個實驗探究做實驗，要求將水倒入酒精中，倒入前，請各組猜想混合后的總體積并記錄在課本的空白處。

比較實驗結果，并與猜想的結果對照。

實驗結果是總體積沒有100mL，那么少掉的那些體積跑到哪里去了，請同學們猜想原因。如果猜不出，老師提示：往一堆雞蛋里撒一把細沙子，你能看見細沙嗎?為什么?直到同學們得出正確結論：分子間有空隙。

也可以用針筒吸入一定的空氣，然后擠壓，發現針筒里的空氣減少了。說明氣體分子之間也有空隙。

(板書：

一、分子之間存在著空隙)

師問：組成物體的微粒都在原地不動嗎?請猜想。

探究二：分子的運動

(1)多媒體展示：將空瓶口對準裝有棕色的二氧化氮氣體的瓶口(按圖10-16(a))，抽去中間的毛玻璃，觀察空瓶中是否有棕色的氣體。解釋為什么選用圖10-16(a)的原因：二氧化氮密度比空氣大，實驗(b)(c)沒有(a)更能充分證明氣體分子在永不停息的做無規則運動。

(2)學生以小組為單位，分別向冷水和熱水中滴入一滴墨水，觀察墨水是否散開，哪個散得快。

請學生回答觀察到的現象，并說明現象產生的原因。

(板書：

二、組成物質的分子都在永不停息作無規則運動)

師生共同總結出擴散的定義，并引導學生總結總結擴散的影響因素和原理。

擴散：不同的物質相互接觸時彼此進入對方的現象叫擴散，溫度高時擴散得快。

擴散現象說明：①分子間存在間隙。②分子都在永不停息地作無規則運動。

探究三：分子間的作用力

(1)把兩塊表面干凈的鉛塊壓緊，下面掉著一個重物時能不能被拉開？

(2)將注射器中注入水，用手堵住針筒嘴，用力推活塞，容易推動嗎?(與空氣相比)

首先通過分組實驗和觀看視頻然后引導同學說出實驗現象產生的原因。

(板書：

三、分子間存在相互作用的引力和斥力)

四、物質中的分子狀態

列舉生活中的三個例子：

1、在空氣中揮舞手臂輕而易舉

2、在沒膝的水中急行步履維艱

3、拔凍在冰中的木棒難于登天

讓學生帶著解釋這三種生活現象的問題閱讀課本P200頁的物質中的分子狀態內容，并引導總結其原因。

(1)固體：分子靠得很近有規律地緊挨在一起。所以，固體有一定的體積和形狀。

(2)液體：分子靠在一起。在一定限度內，分子能運動或滑動，所以液體有一定的體積而沒有一定的形狀。

(3)氣體：分子離得比較遠，能自由地向各個方向運動。所以，氣體沒有固定的形狀和確定的體積。

4．課堂小結，構建體系（5分鐘）

對應本節課的目標，讓學生敘述這節課的收獲，包括知識上、方法上以及能力上的收獲，然后師生共同構建本節課的知識體系，使學生對本節課所學知識有整體的把握，也體現了學科知識建構的思想。

5．當堂檢測、鞏固升華（10分鐘）

學生獨立完成作業手冊上的當堂檢測檢測題后，學生分組展示，對出錯和疑問較多的地方，通過兵教兵和師教兵的方式解決。

6．學后反思（3分鐘）

學生針對所學內容和本節的目標，在筆記上自己構建本節的知識樹。

四、板書設計

最后我說一下這節課的板書設計，為了使學生對分子動理論的知識有個系統全面的掌握，最后說一下本節課的板書設計：

第二節 看不見的運動

1、分子間有空隙

2、分子在永不停息地運動

3、分子間存在著互相作用的引力和斥力

4、物質中的分子狀態

以上是我對“看不見的運動”這節教材的認識和對這堂課的整體設計，由于本人水平有限，上面過程肯定有許多缺點和漏洞，希望各位老師多多批評指正，謝謝！

第五篇：高三物理粒子的波動性教案

17.3 嶄新的一頁：粒子的波動性

★新課標要求

（一）知識與技能

1．了解光既具有波動性，又具有粒子性。2．知道實物粒子和光子一樣具有波粒二象性。3．知道德布羅意波的波長和粒子動量關系。

（二）過程與方法

1．了解物理真知形成的歷史過程。

2．了解物理學研究的基礎是實驗事實以及實驗對于物理研究的重要性。3．知道某一物質在不同環境下所表現的不同規律特性。

（三）情感、態度與價值觀

1．通過學生閱讀和教師介紹講解，使學生了解科學真知的得到并非一蹴而就，需要經過一個較長的歷史發展過程，不斷得到糾正與修正。

2．通過相關理論的實驗驗證，使學生逐步形成嚴謹求實的科學態度。

3．通過了解電子衍射實驗，使學生了解創造條件來進行有關物理實驗的方法。★教學重點

實物粒子和光子一樣具有波粒二象性，德布羅意波長和粒子動量關系。★教學難點

實物粒子的波動性的理解。

★教學方法

學生閱讀－討論交流－教師講解－歸納總結 ★教學用具：

課件：PP演示文稿（科學家介紹，本節知識結構）。多媒體教學設備。★課時安排課時

★教學過程

（一）引入新課

提問：前面我們學習了有關光的一些特性和相應的事實表現，那么我們究竟怎樣來認識光的本質和把握其特性呢？請同時舉出相應的事實基礎。

學生閱讀課本、思考后回答：光是一種物質，它既具有粒子性，又具有波動性。在不同條件下表現出不同特性。（分別舉出有關光的干涉衍射和光電效應等實驗事實）。

點評：讓學生閱讀課本內容結合前面所學知識進行歸納總結，形成正確觀點。教師：原來我們不能片面地認識事物，能舉出本學科或其他學科或生活中類似的事或物嗎？

學生舉例說明：例如哲學中對事物的辨正觀點等。

點評：培養學生對事物或規律的全面把握，并與與其他學科進行橫向滲透聯系。

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（二）進行新課

1、光的波粒二象性

教師：講述光的波粒二象性。在學生的辨析說明下進行歸納整理。

（1）我們所學的大量事實說明：光是一種波，同時也是一種粒子，光具有波粒二象性。

光的分立性和連續性是相對的，是不同條件下的表現，光子的行為服從統計規律。（2）光子在空間各點出現的概率遵從波動規律，物理學中把光波叫做概率波。點評：通過學生歸納總結形成結論，教師再進行講解，學生容易接受。充分注重知識的學生自主形成過程。

2、光子的能量與頻率以及動量與波長的關系。

??hv p?h/?

讓學生找到更多的關系公式：p?h/?＝hv/?v??/c

提問：受此啟發，人們想到：同樣作為物質的實物粒子(如電子、原子、分子等)是否也具有波動性呢？

學生閱讀課本“粒子的波動性”。

點評：讓學生帶著問題閱讀，提高閱讀的效率，培養學生從課文材料中提取有關信息的能力。

3、粒子的波動性

提問：誰大膽地將光的波粒二象性推廣到實物粒子？只是因為他大膽嗎？

學生回答：法國科學家德布羅意考慮到普朗克能量子和愛因斯坦光子理論的成功，大膽地把光的波粒二象性推廣到實物粒子。

展示演示文稿資料：有關德布羅意。

點評：使學生了解對知識理論的推廣和假設并不是一味 的憑空猜想，而是有一定的理論或事實基礎。

（1）德布羅意波

實物粒子也具有波動性，這種波稱之為物質波，也叫德布羅意波。（2）物質波波長

??hp＝hmv?Ep?

提問：各物理量的意義？

學生回答：?為德布羅意波長，h為普朗克常量，p為粒子動量。點評：對物理原理公式的理解關鍵在于對各物理量意義的理解。

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講述：當時這一觀點超出了人們的想象，不被人們所接受，歷史上類似的事例我們還知道那些？

學生回答：伽利略的兩個鐵球同時落地等。

點評：使學生了解正確的知識理論往往并不是一提出就能被大家所接受的。

教師：讓學生帶著問題閱讀課本有關內容，為什么德布羅意波觀點很難通過實驗驗證？又是在怎樣的條件下使實物粒子的波動性得到了驗證？

4．物質波的實驗驗證

提問：粒子波動性難以得到驗證的原因？

學生閱讀教材后回答：宏觀物體的波長比微觀粒子的波長小得多，這在生活中很難找到能發生衍射的障礙物，所以我們并不認為它有波動性．作為微觀粒子的電子，其德布羅意波波長為10－10m數量級，找與之相匹配的障礙物也非易事．

點評：讓學生知受實際條件的限制而使很多理論在開始都處于假設階段，不易被人們接受。

例題：某電視顯像管中電子的運動速度是4.0×10m/s；質量為10g的一顆子彈的運動速度是200m/s．分別計算它們的德布羅意波長．

引導學生分析，學生解答：根據公式??h/p計算得1.8×10-11m和3.3×10-34m 點評：通過具體計算使學生對實物粒子的德布羅意波長有感性認識，進一步理解實物粒子波動性驗證的困難。

說明：由計算結果知，通常生活中觀察不到實物波動特性征的原因。展示演示文稿資料：電子波動性的發現者———戴維森和小湯姆遜

（電子波動性的發現,使得德布羅意由于提出實物粒子具有波動性這一假設得以證實,并因此而獲得1929年諾貝爾物理學獎.而戴維森和小湯姆遜由于發現了電子的波動性也同獲1937年諾貝爾物理學獎）

學生閱讀有關物理學歷史資料，了解物理學有關知識的形成建立和發展的真是過程。點評：應用物理學家的歷史資料，不僅有真實感，增強了說服力，同時也能對學生進行發放教育，有利于培養學生的科學態度和科學精神，激發學生的探索精神。

教師：講述電子衍射實驗：1927年，兩位美國物理學家使電子束投射到鎳的晶體上，得到了電子束的衍射圖案．從而證實了德布羅意的假設。

學生了解更具體的相關歷史資料。

點評：增加真實感，使學生初步體會如何創造條件進行科學實驗探索，體會其中的奇妙愛學啦高中學習網 www.tmdps.cn 海量資源等你下載 之處。

講述：除了電子以外，后來還陸續證實了質子、中子以及原子、分子的波動性。點評：引用更多實驗事實來增強對理論的證明。

提問：衍射現象對高分辨率的顯微鏡有影響否？如何改進？ 學生閱讀課本材料：顯微鏡的分辨本領。

點評：對所學知識進行拓展，加強對實際生產生活應用的聯系。

（三）課堂小結

教師活動：本節課我們學習了光的本質，即光是一種物質，它既具有粒子性，又具有波動性。在不同條件下表現出不同特性。注意對光的本質的全面把握。學習了得到實驗事實驗證的實物粒子波動性，其對應的波稱之為物質波，注意掌握物質波的計算公式。

點評：反思小節為學生提供本節內容的主要知識框架，有利于學生對所學知識的及時鞏固和知識重點的把握。

（四）作業：

復習本節教材43頁“問題與練習”中各題，預做回答。

點評：加深對課堂所學知識的理解和掌握，聯系實際對所學內容進行應用。★教學體會

本節課作為近代物理部分內容，比較抽象，學生沒有生活經驗和感觀認識，也沒有演示實驗可以做，在課堂上注意以學生為主導，通過補充的一些史料，加深學生感受，讓學生閱讀思考后歸納得出結論，同樣能收到好的效果。

（1）在有關事實和已知觀點基礎下，歸納光的本性，培養學生注意全面把握物理規律和全面把握物理規律的能力。

（2）課本材料和補充的史料讓學生先行閱讀，通過思考、辨析后歸納得出正確結論，比教師一人講解更具有真實感和說服力。同時也培養了學生閱讀材料提取有關信息的能力。

（3）對于難以理解的粒子的波動性，并且實際條件不允許進行實驗驗證，必須充分展示真實的歷史資料，加強說服力。同時通過對歷史上創造條件進行實驗驗證的方法學習，使學生初步體會如何創造條件進行科學實驗探索，體會其中的奇妙之處，增強進行科學探索的興趣。

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